基于二维导电MOF纳米复合材料的制备及超电性能的研究

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二维导电金属有机框架(Two-dimensional Conductive MOF)作为新一代二维(2D)材料,通过有机配体与金属离子或团簇通过配位键自组装形成的具有高孔隙率的有机-无机杂化材料,可提供均匀的活性位点和开放通道。二维MOF的孔隙率,催化活性,磁性,以及优异的导电性等多方面特征,进一步增强了二维导电MOF作为新一代多功能材料的实用性。而层状双金属氢氧化物(LDH)作为一种无机二维材料因其良好的生物相容性、较高的化学稳定性、高比表面积、可合成大量不同组合物和金属-阴离子组合物等特点,使其在催化、分离、生物技术、电化学等领域的广泛应用,引起了学术界和工业界越来越多的兴趣。此外,能源的有效利用是我国目前能源发展的重要目标,而超级电容器作为能源储存装置,因其自身快速充放电、高功率密度、超长循环寿命等电化学性能,受到业界越来越多的关注。因此本论文主要基于2,3,6,7,10,11-六羟基三亚苯配体合成二维导电MOF,并将MOF和LDH复合,对其超级电容器的性能进行研究。第二章,主要讲述了通过界面生长的方法将导电二维MOF M-CAT镶嵌在同样是二维材料的NiCo-LDH纳米花表面形成稳定结构。互连界面处的强电子耦合有利于提高结构稳定性和电子传导性,结果显示复合材料NiCo-LDH@Ni-CAT显示出增强的电容存储能力,包括质量电容(电流密度为1 A g-1时,比电容为882 F g-1),稳定的循环容量(在10000次循环之后保留率为82%)和快速的电荷转移能力。为验证NiCo-LDH@Ni-CAT的实用性能,组装了不对称超级电容器,结果表明材料具有高的功率密度394.6 W kg-1(能量密度达到23.5 Wh kg-1)。因此,该工作展示了设计和制造基于导电MOF和LDH的混合电极材料的优异方法,以应用于能量存储装置。第三章,主要介绍了通过水热合成法将具有法拉第效应的NiCo-LDH与2D导电Ni-CAT结合有序排列在泡沫镍导电基板(NF)上,形成Ni-CAT/NiCo-LDH/NF分级集成纳米阵列,其中未添加任何的导电剂和粘合剂,这样极大的减小了电极的电阻,有序的NiCo-LDH结构和Ni-CAT独特的二维结构极大的提供了有效的比表面积,相互协同,提供更多的活性位点,进一步高效地促进电荷的转移,进而提升了超电的性能。在电流密度为1 mA cm-2的时候,面电容达到了3200 mF cm-2。因此,制备基于二维导电MOF复合材料结构构造的研究,为电化学储能材料提供了巨大的前景。综上,本文致力于设计合成基于二维导电MOF的复合材料,并对所制备的复合材料进行形貌、组成表征,主要探究了该材料在超级电容器方面的应用。结果表明,基于二维导电MOF优异的特性,比如:导电性,多孔性,比表面积大等等,为二维导电MOF材料的发展提供了广阔的应用前景。
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